Modulación Digital

Introducción

• El término **comunicaciones digitales** abarca un área extensa de técnicas de comunicaciones, incluyendo la **transmisión digital** y el **radio digital**.
• La **transmisión digital** es la transmisión de pulsos digitales, entre dos o más puntos, de un sistema de comunicación.
• El **radio digital** es la transmisión de portadoras analógicas moduladas, en forma digital, entre dos o más puntos de un sistema de comunicación.
• Los sistemas de transmisión digital requieren de un elemento físico, entre el transmisor y el receptor, como un par de cables metálicos, un cable coaxial, o un cable de fibra óptica.
• En los sistemas de radio digital, el medio de transmisión es el espacio libre o la atmósfera terrestre.
• En un sistema de radio digital, la señal de entrada modulada y la señal de salida demodulada, son pulsos digitales.
• En un sistema de transmisión digital, la información de la fuente original puede ser en forma digital o analógica. Si está en forma analógica, tiene que convertirse a pulsos digitales, antes de la transmisión y convertirse de nuevo a la forma analógica, en el extremo de recepción.
• Los elementos que diferencia un sistema de radio digital de un sistema de radio AM, FM, o PM, es que en un sistema de radio digital, las señales de modulación y demodulación son pulsos digitales, en lugar de formas de ondas analógicas. El radio digital utiliza portadoras analógicas, al igual que los sistemas convencionales.
• En esencia, hay tres técnicas de modulación digital que se suelen utilizar en sistemas de radio digital: **transmisión (modulación) por desplazamiento de frecuencia (FSK)**, **transmisión por desplazamiento de fase (PSK)**, y **modulación de amplitud en cuadratura (QAM)**.

Transmisión por Desplazamiento de Frecuencia (FSK)

• La **transmisión por desplazamiento de frecuencia (FSK)**, es un tipo, en alguna medida simple, de modulación digital de bajo rendimiento.
• El FSK binario es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua.

• La expresión general para una señal FSK binaria es:
  

donde:

v(t) = forma de onda FSK binaria

Vc= amplitud pico de la portadora no modulada

wc= frecuencia de la portadora en radianes

vm(t) = señal modulante digital binaria

Dw = cambio en frecuencia de salida en radianes

• De la ecuación anterior puede verse que, con el FSK binario, la amplitud de la portadora Vc se mantiene constante con la modulación. Sin embargo, la frecuencia en radianes de la portadora de salida (wc) cambia por una cantidad igual a ± Dw/2.
• El cambio de frecuencia (Dw/2) es proporcional a la amplitud y polaridad de la señal de entrada binaria.
• Por ejemplo, un uno binario podría ser + 1volt y un cero binario-1 volt produciendo cambios de frecuencia de + Dw/2 y – Dw/2, respectivamente. Además, la rapidez a la que cambia la frecuencia de la portadora es igual a la rapidez de cambio de la señal de entrada binaria vm(t) (o sea, la razón de bit de entrada). Por tanto, la frecuencia de la portadora salida se desvía o cambia, entre (wc+ Dw/2) y (wc- Dw/2) a una velocidad igual a fm(la frecuencia de marca).

Transmisor de FSK

• Con el FSK binario, la frecuencia central o de portadora se desplaza (se desvía), por los datos de la entrada binaria. En consecuencia, la salida de un modulador de FSK binario es una función escalón en el dominio del tiempo.
• Conforme cambia la señal de entrada binaria de 0 lógico a 1 lógico, y viceversa, la salida del FSK se desplaza entre dos frecuencias: una frecuencia de marca o de 1 lógico y una frecuencia de espacio lógico o de 0 lógico.
• Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia. Así, la razón de salida del cambio es igual a la razón de entrada del cambio.
• En la modulación digital, la razón (rapidez de cambio en la entrada del modulador se llama razón de bit y tiene las unidades de bits por segundo (bps).
• La rapidez (razón) de cambio en la salida del modulador se llama baudio o razón de baudio y es igual al recíproco del tiempo de un elemento de señalización de salida. En esencia, el baudio es la razón de línea en símbolos por segundo.
• En el FSK binario, las razones de cambio de entrada y salida son iguales; en consecuencia, la razón de bit y la razón de baudio son iguales.

• Un transmisor de FSK binario sencillo se muestra en la siguiente figura.
  

Consideraciones de ancho de banda del FSK

• La siguiente figura muestra un modulador de FSK binario que a menudo son osciladores controlados por voltaje (VCO).

• El más rápido cambio de entrada ocurre, cuando la entrada binaria es una onda cuadrada. En consecuencia, si se considera sólo la frecuencia fundamental de entrada, la frecuencia modulante más alta es igual a la mitad de la razón de bit de entrada.
  

• La frecuencia de reposo del VCO se selecciona de tal forma que, cae a medio camino, entre las frecuencias de marca y espacio. Una condición de 1 lógico, en la entrada, cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de marca; una condición de 0 lógico, en la entrada, cambia cl VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de espacio. El índice de modulación en FSK es:
  

• El peor caso, o el ancho de banda más amplio, ocurre cuando tanto la desviación de frecuencia y la frecuencia modulante están en sus valores máximos.
• En un modulador de FSK binario, .f es la desviación de frecuencia pico de la portadora y es igual a la diferencia entre la frecuencia de reposo y la frecuencia de marca o espacio. La desviación de frecuencia es constante y, siempre, en su valor máximo.

• fa es igual a la frecuencia fundamental de entrada binaria que bajo la condición del peor caso es igual a la mitad de la razón de bit(fb). En consecuencia, para el FSK binario,
  

• En un FSK binario el índice de modulación, por lo general, se mantiene inferior a 1, produciendo así un espectro de salida de FM de banda relativamente angosta. Debido a que el FSK binario es una forma de modulación en frecuencia de banda angosta, el mínimo ancho de banda depende del índice de modulación. Para un índice de modulación entre 0.5 y 1, se generan dos o tres conjuntos de frecuencias laterales significativas. Por tanto, el mínimo ancho de banda es dos o tres veces la razón de bit de entrada.

Receptor de FSK

• El circuito que más se utiliza para remodular las señales de FSK binarias es el circuito de enganche de fase (PLL), que se muestra en forma de diagrama a bloques en la siguiente figura.
  

• Conforme cambia la entrada del PLL entre las frecuencias de marca y espacio, el voltaje de error de cca la salida del comparador de fase sigue el desplazamiento de frecuencia.
• Debido a que sólo hay dos frecuencias de entrada (marca y espacio), también hay sólo dos voltajes de error de salida. Uno representa un 1 lógico y el otro un 0 lógico. En consecuencia, la salida es una representación de dos niveles (1-0) de la entrada de FSK.
• Por lo regular, la frecuencia natural del PLL se hace igual a la frecuencia central del modulador de FSK. Como resultado, los cambios en el voltaje de error cc, siguen a los cambios en la frecuencia de entrada analógica y son simétricos alrededor de 0 V.

Transmisión de desplazamiento mínimo del FSK

• La **transmisión de desplazamiento mínimo del FSK (MSK)**, es una forma de transmitir desplazando la frecuencia de fase continua (CPFSK).
• En esencia, el MSK es un FSK binario, excepto que las frecuencias de marca y espacio están sincronizadas con la razón de bit de entrada binario.
• Con MSK, las frecuencias de marca y espacio están seleccionadas, de tal forma que están separadas de la frecuencia central, por exactamente, un múltiplo impar de la mitad de la razón de bit[fm y fs= n( fb/ 2 ), con n = entero impar]. Esto asegura que haya una transición de fase fluida, en la señal de salida analógica, cuando cambia de una frecuencia de marca a una frecuencia de espacio, o viceversa.

Transmisión por Desplazamiento de Fase (PSK)

• **Transmitir por desplazamiento de fase (PSK)** es otra forma de modulación angular, modulación digital de amplitud constante.
• El PSK es similar a la modulación en fase convencional, excepto que con PSK la señal de entrada es una señal digital binaria y son posibles un número limitado de fases de salida.

Transmisión por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK)

• Con la **transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK)**, son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora.
• Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico.
• Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180º fuera de fase.
• El BPSK es una forma de modulación de onda cuadrada de El BPSK es una forma de modulación de onda cuadrada de portadora suprimida de una señal de onda continua (CW).
• Otros nombres que se le dan a BPSK son transmisión inversa de fase (PRK) y modulación bifásica.

• La figura siguiente muestra un diagrama a bloques simplificado de un modulador de BPSK. El modulador balanceado actúa como un conmutador para invertir la fase. Dependiendo de la condición lógica de la entrada digital, la portadora se transfiere a la salida, ya sea en fase o 180º fuera de fase, con el oscilador de la portadora de referencia.
  

Transmisor de BPSK

• La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de un modulador de anillo balanceado. El modulador balanceado tiene dos entradas: una portadora que está en fase, con el oscilador de referencia, y los datos digitales binarios. Para que el modulador balanceado opere correctamente, el voltaje de entrada digital tiene que ser mucho más grande que el voltaje pico de la portadora. Esto asegura que la entrada digital controle el estado de activado/desactivado de los diodos D1-D4.
  

• Si la entrada binaria es un 1 lógico (voltaje positivo), los diodos D1 y D2 están directamente polarizados y «activados», en tanto que los diodos D3 y D4 están inversamente polarizados y «desactivados». Con las polaridades mostradas, el voltaje de la portadora se desarrolla a través del transformador T2, en fase con el voltaje de la portadora, a través de TI. En consecuencia, la señal de salida está en fase con el oscilador de referencia.
• Si la entrada binaria es un 0 lógico (voltaje negativo), los diodos D1 y D2 están inversamente polarizados y «desactivados», mientras que los diodos D3 y D4 directamente polarizados y «activados». Como resultado, el voltaje de la portadora se desarrolla a través del transformador T2, 180º fuera de fase, con voltaje de la portadora a través de T1. En consecuencia, la señal de salida está 180º de fase con el oscilador de referencia.

• La siguiente figura muestra la tabla de verdad, diagrama fasorial, y diagrama de, y diagrama de constelación para un modulador de BPSK.
  

• Un diagrama de constelación que, a veces, se denomina diagrama de espacio de estado de señal, es similar a un diagrama fasorial, excepto que el fasor completo no está dibujado. En un diagrama de constelación, sólo se muestran las posiciones relativas de los pico los fasores.

Consideraciones del ancho de banda del BPSK

• Para BPSK, la razón de cambio de salida, es igual a la razón de cambio de entrada, y el ancho de banda de salida, más amplio, ocurre cuando los datos binarios de entrada son una secuencia alterativa l/0. La frecuencia fundamental (fa) de una secuencia alterativa de bits 1/0 es igual a la mitad de la razón de bit(fb/2).

Matemáticamente, la fase de salida de un modulador de es:

Transmisión por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK)

• En la siguiente figura se muestra la fase de salida contra la relación de tiempo para una forma de onda BPSK. El espectro de salida de un modulador de BPSK es, sólo una señal de doble banda lateral con portadora suprimida, donde las frecuencias laterales superiores e inferiores están separadas de la frecuencia de la portadora por un valor igual a la mitad de la razón de bit.
  

• En consecuencia, el mínimo ancho de banda (fN) requerido para permitir el peor caso de la señal de salida del BPSK es igual a la razón de bite entrada.

Receptor BPSK

• La siguiente figura muestra el diagrama a bloques de un receptor de BPSK. La señal de entrada puede ser (± senwct). El circuito de recuperación de portadora coherente detecta y regenera una señal de portadora que es coherente, tanto en frecuencia como en fase, con la portadora del transmisor original. El modulador balanceado es un detector de producto; la salida es el producto de las dos entradas (la señal de BPSK y la portadora recuperada). El filtro pasa-bajas (LPF) separa los datos binarios recuperados de la señal remodulada compleja
  

Codificación en M-ario

• M-ario es un término derivado de la palabra “binario”. La M es sólo un dígito que representa el número de condiciones posibles. Las dos técnicas para modulación digital que se han analizado hasta ahora (FSK binario y BPSK), son sistemas binarios; sólo hay dos condiciones posibles de salida. Una representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico; por tanto, son sistemas M-ario donde M = 2. Con la modulación digital, con frecuencia es ventajoso codificar a un nivel más alto que el binario. Por ejemplo, un sistema de PSK, con cuatro posibles fases de salida, es un sistema M-ario en donde M = 4. Si hubiera ocho posibles fases de salida, M= 8, etcétera. Matemáticamente,
  

Técnicas de Modulación en los Sistemas de Comunicaciones

Las características propias del canal de transmisión: ruido, atenuación y retardo, dentro de un cierto ancho de banda, implican que no cualquier señal de información pueda viajar a través de él.

En ocasiones se requiere transferir la información de la señal original a otra cuyas características son apropiadas para ser transmitida por el canal.

Introducción

Las técnicas de modulación están basadas en el hecho de que a través de los medios de comunicación, como puede ser los canales telefónicos, se pueda transmitir de una forma más fiable señales analógicas que señales digitales. Por este motivo, cuando se va a transmitir una información digital, lo que transmitimos es una señal analógica (llamada portadora) a la cual se le modifica una de sus características de acuerdo con la información binaria que se pretende transmitir.

Las señales de información o de inteligencia como voz, video o datos binarios se trasmiten algunas veces de un punto a otro a través de un medio de comunicación. Sin embargo, cuando las distancias involucradas son grandes, se utiliza la transmisión por radio. Si la información se transmite en sus frecuencias originales produciría interferencia entre las señales, por lo que es necesario recurrir a modular la señal.

El proceso de modulación en banda base, banda de voz, video o señal digital, modifica a otra señal de frecuencia más alta llamada portadora (carrier), que en general es de forma senoidal, la cual está definida por tres características: frecuencia, amplitud máxima y fase. Eso quiere decir que si conocemos estas características, en cualquier momento podemos saber el estado de la señal aplicando simplemente su formulación matemática.

Una portadora senoidal puede modificarse por la señal de inteligencia mediante modulación de la amplitud, modulación de la frecuencia o por modulación de la fase.

La modulación se obtiene haciendo variar alguno de los parámetros de la señal portadora en función de la señal de información. Usualmente la señal portadora es una señal con el menor contenido de información posible, por lo cual cualquier señal

Senoidal es adecuada:

Siendo su amplitud Ap, su frecuencia wp y su fase qp los parámetros propensos a ser variados

Condiciones para la Modulación

• Limitaciones del canal de comunicación. La respuesta en frecuencia del canal no incluye las frecuencias de la señal de información o sus características de atenuación y/o retardo son muy severas para las frecuencias de la señal original.
• Existencia de ruidos e interferencias. Se presentan ruidos e interferencias distribuidos en ciertas frecuencias, mientras que en otras estos efectos son menores.
• Transmisión Simultánea de Varias Señales. Se transmiten varias señales por el mismo canal, de manera simultánea, tratando de ocupar cada una distintos rangos de frecuencia.
• Facilidad para la Radiación y Propagación. El tamaño de las antenas está en función inversamente proporcional a la frecuencia de transmisión. La propagación de las ondas electromagnéticas sufre de diversos efectos dependiendo de su frecuencia.

Todos los sistemas de radiocomunicación están basados en la radiación de una portadora dentro de la banda asignada la cual se modula, o influenciada para modificar sus parámetros con la información a transmitir, que por ejemplo en la radiodifusión es el audio de uno o dos canales, el servicio RDS (Radio Data System) en la radio de FM actual y alguna otra señal de control.

Por razones de índole práctica, la señal en banda base no se transmite, por lo que se recurre a los procedimientos de modulación de los que actualmente se emplean tres, que son los siguientes:

La modulación en amplitud

(Amplitude Modulataion) se refiere al método mediante el cual se modifica la amplitud de la señal portadora de acuerdo a la información binaria que se pretenda trasmitir. El método más simple de modulación de amplitud consiste en enviar una amplitud cero para representar el valor binario 0 y una amplitud determinada distinta de cero para representar el valor binario 1. También se puede transmitir una amplitud determinada para representar los valores 0 y otra amplitud distinta para representar los valores 1, ambas distintas de cero. A este sistema de modulación también se le conoce con el nombre de ASK (Amplitude-ShiftKeying: Modulación por salto de amplitud).

La modulación de amplitud pura se emplea muy poco para transmitir datos, y si se hace, se utiliza para muy bajas velocidades de transmisión, ya que es muy susceptible a las interferencias de la línea.

La modulación en amplitud es un sistema particular de modulación lineal, cuya portadora adopta la misma forma que la señal moduladora, tal como muestra en la siguiente figura.

La expresión que define a la envolvente, o portadora modulada en amplitud, es la siguiente:

Dado que Ac corresponde a la amplitud no modulada de la portadora en cuestión, la portadora modulada es una función lineal de la señal moduladora, ya que

Tal como se ha indicado, la portadora adquiere la forma del mensaje y la característica a destacar de esta condición es el denominado índice de modulación (de la portadora), el cual se expresa en (%). Su expresión simple es la siguiente:

La señal moduladora m tiene su límite impuesto en m =1 para evitar la sobre-modulación. Así, si m = 1, la modulación se produce al 100%, lo que supone que la portadora pasa de máximo a cero, lo que es perjudicial para la reproducción en el receptor, y si m > 1 en la portadora se produce inversión de fase y con ello la aparición de distorsión. En la práctica, la modulación se limita al 90%.

La modulación de AM empleada en la radiodifusión es denominada de doble banda lateral porque en su espectro radioeléctrico aparecen dos bandas situadas a ambos lados de la portadora, tal como muestra la siguiente figura.

Se puede observar la portadora fca su frecuencia nominal, la banda lateral inferior, cuya frecuencia corresponde a la resta de la portadora y la frecuencia de la señal moduladora, y la banda lateral superior, que corresponde a la suma de ambas señales.

El espectro ocupado constituye el denominado ancho de banda de la portadora y se indica mediante la siguiente expresión: BT = 2W

Como es obvio, el ancho de banda de una portadora modulada en AM es dos veces la frecuencia de la señal moduladora. Esta condición limita el número de emisoras que puede albergar una banda, ya que es preciso separarlas suficientemente en la frecuencia para evitar su cruce.

Modulación en Frecuencia

Mediante la modulación en frecuencia (Frequency Modulation) se modifica la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a la información binaria que se pretenda trasmitir. Con este sistema se mantiene la fase y la amplitud de la señal constante y se envía una frecuencia determinada para representar el valor binario 0 y otra frecuencia distinta para representar el valor binario 1.

Este sistema también permite saltos de frecuencias originando la modulación FSK (Frequency-Shiftkeying: Modulación por salto de frecuencia). La modulación en frecuencia se suele utilizar para velocidades medias y bajas (inferiores a 1200 bps).

Las recomendaciones de la UIT-T (CCITT) V21 (300 bps) y V23 (600-1200 bps) siguen esta técnica de modulación.

En este tipo de modulación más avanzado y por tanto menos sensible a las interferencias radioeléctricas, el mensaje modula o modifica el valor de la frecuencia portadora, cuyos cambios o desviaciones representan de modo lineal la señal a transmitir. La siguiente figura muestra la portadora en sus dos posibles estados respecto de la señal moduladora.

La desviación de frecuencia que sufre la portadora con la señal moduladora m es considerablemente mayor que el de las bandas laterales de la modulación en AM. Es de tener en cuenta que la laterales de la modulación en AM. Es de tener en cuenta que la portadora modulada angularmente es una función exponencial de m, ya que:

En las emisiones de FM, comerciales, la máxima desviación de la portadora con el mensaje m es de ± 75 KHz.

Modular la frecuencia de la portadora con el mensaje m, implica necesariamente dotar al sistema de un oscilador de condición VCO(Oscilador Controlado por Tensión) al que se le aplica la señal de audio a transmitir.

La condición de FM se puede obtener influenciando el valor de L o C con la señal moduladora m. En la práctica, tal condición se consigue incorporando en el circuito resonante del oscilador diodos varicaps, dispositivos éstos que presentan una capacidad eléctrica inversamente proporcional a la tensión aplicada, la cual es, naturalmente, Em. El diodo varicaps tiene una aceptable linealidad en su respuesta capacidad-tensión que lo hace muy adecuado para este propósito. La siguiente figura muestra un ejemplo de un modulador de FM con oscilador VCO. El citado modulador de FM está estructurado en torno a cinco bloques.

FILTRO

En la radiodifusión comercial de FM, el ancho de banda del audio a transmitir, lo que constituye el mensaje, está limitado mediante normativas a 15 KHz, lo que le da la condición de Hi-Fi. Un aumento de ese espectro daría lugar a sobrepasar también los límites de la frecuencia de desviación especificada, con repercusión en reproducción que tiene lugar en los receptores de radiodifusión.

El filtro de paso bajo dispuesto en la entrada del modulador de FM evita que entren al sistema frecuencias superiores a la indicada. Está formado comúnmente por un filtro activo de un elevado rango de rechazo a las frecuencias altas.

RED DE ACENTUACIÓN

En la modulación de FM, la relación señal/ruido de la señal detectada en el receptor es dependiente principalmente del ancho de banda y de la amplitud de la señal. Mantener por tanto tal relación, implica hacer constante el nivel de la señal moduladora, lo que no es posible sin la aplicación de procedimientos adicionales, dado que el espectro del audio que hay que aplicar para transmitir no lo es.

Es de tener en cuenta que las componentes de alta frecuencia de la señal moduladora tienen un nivel mas bajo que el resto, lo que provocan obviamente poca desviación de frecuencia de la portadora y con ello poco nivel de la señal demodulada, con repercusión en la citada relación señal/ruido.

La solución adoptada en la radiodifusión comercial de FM es la incorporación de una red de acentuación o preénfasis, como es denominado comúnmente, de las frecuencias altas de la señal durante el proceso de transmisión y en la desacentuación o desenfasis en el receptor. Ambos efectos presentan una ley de variación igual y contraria para así mejorar la relación señal/ruido de la señal demodulada. La siguiente figura muestra la configuración de la citada red RC de acentuación y su curva de respuesta característica.

Dada la curva de la citada figura, si se refuerzan las frecuencias altas se aumenta la desviación de frecuencia durante el proceso de transmisión y en el demodulador del receptor se obtiene más nivel, mejorando la relación señal/ruido, tal como se ha indicado.

La red comienza tal función sobre la frecuencia de 2 KHz(f1) y se extiende hasta 30 KHz(f2), lo que está fuera de la banda que hay que transmitir.

El receptor incorpora una red de desacentuación en la salida de su demodulador para devolver a la señal su forma original. El circuito y su curva de transferencia se muestra en la siguiente figura.

AMPLIFICADOR

Posterior al proceso de acentuación de las frecuencias altas, la señal moduladora se aplica a un amplificador excitador cuya ganancia es variable en nivel para poder ajustar así el margen de desviación de la frecuencia portadora. Su salida de señal se introduce en el VCO que constituye el oscilador de portadora.

OSCILADOR DE PORTADORA

El oscilador de portadora es un clásico VCO, cuya frecuencia está determinada por los valores de L1, DV1 y C2.

El condensador C1 tiene una capacidad muy grande para la frecuencia de oscilación, de tal modo que su Xc es insignificante. Se emplea como elemento de desacoplo de la tensión continua, para que la que se aplica al diodo de capacidad variable DV1 no se cortocircuite en L1.

La señal moduladora es, en síntesis, una tensión de amplitud representativa del audio del mensaje, lo que permite modificar el valor de la capacidad de DV1 para que éste lo haga en la frecuencia de oscilación. Se obtiene así la modulación en FM. El condensador variable C2 permite ajustar la denominada frecuencia de reposo de la portadora (sin modulación).

ETAPA DE POTENCIA

La frecuencia de oscilación obtenida en el VCO es amplificada en potencia y aplicada a la antena de emisión a través de los correspondientes componentes de adaptación de impedancias.

Técnicas de Modulación en los Sistemas de Comunicaciones

Las características propias del canal de transmisión: ruido, atenuación y retardo, dentro de un cierto ancho de banda, implican que no cualquier señal de información pueda viajar a través de él.

En ocasiones se requiere transferir la información de la señal original a otra cuyas características son apropiadas para ser transmitida por el canal.

Introducción

Las técnicas de modulación están basadas en el hecho de que a través de los medios de comunicación, como puede ser los canales telefónicos, se pueda transmitir de una forma más fiable señales analógicas que señales digitales. Por este motivo, cuando se va a transmitir una información digital, lo que transmitimos es una señal analógica (llamada portadora) a la cual se le modifica una de sus características de acuerdo con la información binaria que se pretende transmitir.

Las señales de información o de inteligencia como voz, video o datos binarios se trasmiten algunas veces de un punto a otro a través de un medio de comunicación. Sin embargo, cuando las distancias involucradas son grandes, se utiliza la transmisión por radio. Si la información se transmite en sus frecuencias originales produciría interferencia entre las señales, por lo que es necesario recurrir a modular la señal.

El proceso de modulación en banda base, banda de voz, video o señal digital, modifica a otra señal de frecuencia más alta llamada portadora (carrier), que en general es de forma senoidal, la cual está definida por tres características: frecuencia, amplitud máxima y fase. Eso quiere decir que si conocemos estas características, en cualquier momento podemos saber el estado de la señal aplicando simplemente su formulación matemática.

Una portadora senoidal puede modificarse por la señal de inteligencia mediante modulación de la amplitud, modulación de la frecuencia o por modulación de la fase.

La modulación se obtiene haciendo variar alguno de los parámetros de la señal portadora en función de la señal de información. Usualmente la señal portadora es una señal con el menor contenido de información posible, por lo cual cualquier señal

Senoidal es adecuada:

Siendo su amplitud Ap, su frecuencia wp y su fase qp los parámetros propensos a ser variados

Condiciones para la Modulación

• Limitaciones del canal de comunicación. La respuesta en frecuencia del canal no incluye las frecuencias de la señal de información o sus características de atenuación y/o retardo son muy severas para las frecuencias de la señal original.
• Existencia de ruidos e interferencias. Se presentan ruidos e interferencias distribuidos en ciertas frecuencias, mientras que en otras estos efectos son menores.
• Transmisión Simultánea de Varias Señales. Se transmiten varias señales por el mismo canal, de manera simultánea, tratando de ocupar cada una distintos rangos de frecuencia.
• Facilidad para la Radiación y Propagación. El tamaño de las antenas está en función inversamente proporcional a la frecuencia de transmisión. La propagación de las ondas electromagnéticas sufre de diversos efectos dependiendo de su frecuencia.

Todos los sistemas de radiocomunicación están basados en la radiación de una portadora dentro de la banda asignada la cual se modula, o influenciada para modificar sus parámetros con la información a transmitir, que por ejemplo en la radiodifusión es el audio de uno o dos canales, el servicio RDS (Radio Data System) en la radio de FM actual y alguna otra señal de control.

Por razones de índole práctica, la señal en banda base no se transmite, por lo que se recurre a los procedimientos de modulación de los que actualmente se emplean tres, que son los siguientes:

La modulación en amplitud

(Amplitude Modulataion) se refiere al método mediante el cual se modifica la amplitud de la señal portadora de acuerdo a la información binaria que se pretenda trasmitir. El método más simple de modulación de amplitud consiste en enviar una amplitud cero para representar el valor binario 0 y una amplitud determinada distinta de cero para representar el valor binario 1. También se puede transmitir una amplitud determinada para representar los valores 0 y otra amplitud distinta para representar los valores 1, ambas distintas de cero. A este sistema de modulación también se le conoce con el nombre de ASK (Amplitude-ShiftKeying: Modulación por salto de amplitud).

La modulación de amplitud pura se emplea muy poco para transmitir datos, y si se hace, se utiliza para muy bajas velocidades de transmisión, ya que es muy susceptible a las interferencias de la línea.

La modulación en amplitud es un sistema particular de modulación lineal, cuya portadora adopta la misma forma que la señal moduladora, tal como muestra en la siguiente figura.

La expresión que define a la envolvente, o portadora modulada en amplitud, es la siguiente:

                         

Dado que Ac corresponde a la amplitud no modulada de la portadora en cuestión, la portadora modulada es una función lineal de la señal moduladora, ya que

Tal como se ha indicado, la portadora adquiere la forma del mensaje y la característica a destacar de esta condición es el denominado índice de modulación (de la portadora), el cual se expresa en (%). Su expresión simple es la siguiente:

             

La señal moduladora m tiene su límite impuesto en m =1 para evitar la sobre-modulación. Así, si m = 1, la modulación se produce al 100%, lo que supone que la portadora pasa de máximo a cero, lo que es perjudicial para la reproducción en el receptor, y si m > 1 en la portadora se produce inversión de fase y con ello la aparición de distorsión. En la práctica, la modulación se limita al 90%.

La modulación de AM empleada en la radiodifusión es denominada de doble banda lateral porque en su espectro radioeléctrico aparecen dos bandas situadas a ambos lados de la portadora, tal como muestra la siguiente figura.

Se puede observar la portadora fca su frecuencia nominal, la banda lateral inferior, cuya frecuencia corresponde a la resta de la portadora y la frecuencia de la señal moduladora, y la banda lateral superior, que corresponde a la suma de ambas señales.

El espectro ocupado constituye el denominado ancho de banda de la portadora y se indica mediante la siguiente expresión: BT = 2W

Como es obvio, el ancho de banda de una portadora modulada en AM es dos veces la frecuencia de la señal moduladora. Esta condición limita el número de emisoras que puede albergar una banda, ya que es preciso separarlas suficientemente en la frecuencia para evitar su cruce.

Modulación en Frecuencia

Mediante la modulación en frecuencia (Frequency Modulation) se modifica la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a la información binaria que se pretenda trasmitir. Con este sistema se mantiene la fase y la amplitud de la señal constante y se envía una frecuencia determinada para representar el valor binario 0 y otra frecuencia distinta para representar el valor binario 1.

Este sistema también permite saltos de frecuencias originando la modulación FSK (Frequency-Shiftkeying: Modulación por salto de frecuencia). La modulación en frecuencia se suele utilizar para velocidades medias y bajas (inferiores a 1200 bps).

Las recomendaciones de la UIT-T (CCITT) V21 (300 bps) y V23 (600-1200 bps) siguen esta técnica de modulación.

En este tipo de modulación más avanzado y por tanto menos sensible a las interferencias radioeléctricas, el mensaje modula o modifica el valor de la frecuencia portadora, cuyos cambios o desviaciones representan de modo lineal la señal a transmitir. La siguiente figura muestra la portadora en sus dos posibles estados respecto de la señal moduladora.

La desviación de frecuencia que sufre la portadora con la señal moduladora m es considerablemente mayor que el de las bandas laterales de la modulación en AM. Es de tener en cuenta que la laterales de la modulación en AM. Es de tener en cuenta que la portadora modulada angularmente es una función exponencial de m, ya que:

En las emisiones de FM, comerciales, la máxima desviación de la portadora con el mensaje m es de ± 75 KHz.

Modular la frecuencia de la portadora con el mensaje m, implica necesariamente dotar al sistema de un oscilador de condición VCO(Oscilador Controlado por Tensión) al que se le aplica la señal de audio a transmitir.

La condición de FM se puede obtener influenciando el valor de L o C con la señal moduladora m. En la práctica, tal condición se consigue incorporando en el circuito resonante del oscilador diodos varicaps, dispositivos éstos que presentan una capacidad eléctrica inversamente proporcional a la tensión aplicada, la cual es, naturalmente, Em. El diodo varicaps tiene una aceptable linealidad en su respuesta capacidad-tensión que lo hace muy adecuado para este propósito. La siguiente figura muestra un ejemplo de un modulador de FM con oscilador VCO. El citado modulador de FM está estructurado en torno a cinco bloques.

FILTRO

En la radiodifusión comercial de FM, el ancho de banda del audio a transmitir, lo que constituye el mensaje, está limitado mediante normativas a 15 KHz, lo que le da la condición de Hi-Fi. Un aumento de ese espectro daría lugar a sobrepasar también los límites de la frecuencia de desviación especificada, con repercusión en reproducción que tiene lugar en los receptores de radiodifusión.

El filtro de paso bajo dispuesto en la entrada del modulador de FM evita que entren al sistema frecuencias superiores a la indicada. Está formado comúnmente por un filtro activo de un elevado rango de rechazo a las frecuencias altas.

RED DE ACENTUACIÓN

En la modulación de FM, la relación señal/ruido de la señal detectada en el receptor es dependiente principalmente del ancho de banda y de la amplitud de la señal. Mantener por tanto tal relación, implica hacer constante el nivel de la señal moduladora, lo que no es posible sin la aplicación de procedimientos adicionales, dado que el espectro del audio que hay que aplicar para transmitir no lo es.

Es de tener en cuenta que las componentes de alta frecuencia de la señal moduladora tienen un nivel mas bajo que el resto, lo que provocan obviamente poca desviación de frecuencia de la portadora y con ello poco nivel de la señal demodulada, con repercusión en la citada relación señal/ruido.

La solución adoptada en la radiodifusión comercial de FM es la incorporación de una red de acentuación o preénfasis, como es denominado comúnmente, de las frecuencias altas de la señal durante el proceso de transmisión y en la desacentuación o desenfasis en el receptor. Ambos efectos presentan una ley de variación igual y contraria para así mejorar la relación señal/ruido de la señal demodulada. La siguiente figura muestra la configuración de la citada red RC de acentuación y su curva de respuesta característica.

Dada la curva de la citada figura, si se refuerzan las frecuencias altas se aumenta la desviación de frecuencia durante el proceso de transmisión y en el demodulador del receptor se obtiene más nivel, mejorando la relación señal/ruido, tal como se ha indicado.

La red comienza tal función sobre la frecuencia de 2 KHz(f1) y se extiende hasta 30 KHz(f2), lo que está fuera de la banda que hay que transmitir.

El receptor incorpora una red de desacentuación en la salida de su demodulador para devolver a la señal su forma original. El circuito y su curva de transferencia se muestra en la siguiente figura.

AMPLIFICADOR

Posterior al proceso de acentuación de las frecuencias altas, la señal moduladora se aplica a un amplificador excitador cuya ganancia es variable en nivel para poder ajustar así el margen de desviación de la frecuencia portadora. Su salida de señal se introduce en el VCO que constituye el oscilador de portadora.

OSCILADOR DE PORTADORA

El oscilador de portadora es un clásico VCO, cuya frecuencia está determinada por los valores de L1, DV1 y C2.

El condensador C1 tiene una capacidad muy grande para la frecuencia de oscilación, de tal modo que su Xc es insignificante. Se emplea como elemento de desacoplo de la tensión continua, para que la que se aplica al diodo de capacidad variable DV1 no se cortocircuite en L1.

La señal moduladora es, en síntesis, una tensión de amplitud representativa del audio del mensaje, lo que permite modificar el valor de la capacidad de DV1 para que éste lo haga en la frecuencia de oscilación. Se obtiene así la modulación en FM. El condensador variable C2 permite ajustar la denominada frecuencia de reposo de la portadora (sin modulación).

ETAPA DE POTENCIA

La frecuencia de oscilación obtenida en el VCO es amplificada en potencia y aplicada a la antena de emisión a través de los correspondientes componentes de adaptación de impedancias.